Heizungssteuerung HS1    

Zwei Seelen wohnen, ach, in meiner Brust:

• Ich möchte mich nicht um so eine blöde Heizungssteuerung kümmern. Die gibt es fertig zu kaufen, Fachleute bauen sie ein. Einbauen, Knopf drücken, warm, fertig. Einige Leute nennen es auch Heizungsregelung.
• Bei fertigen Lösungen passierte mir, vielen Nachbarn und Freunden aber bislang häufiger folgendes (Aufzählung nicht vollständig):
  • Mal ist das Duschwasser/Warmwasser kalt, dann viel zu heiß.
  • Wichtige Familienmitglieder monieren viel zu niedrige ("Ich frier mir einen Ast ab") oder zu hohe ("Haben wir zuviel Geld?") Wohnraumtemperaturen.
  • Mitten in der Nacht springt der Brenner an und die Pumpen laufen mit Volldampf.
  • Auch mitten in der Nacht wird das Brauchwasser aufgeheizt.
  • Der Mischkreisregler ist vollkommen zugefahren. Trotzdem wird kaltes Wasser durch die Installation gepumpt.
  • Trotz programmierter Absenkung wird permanent geheizt.
  • Die Frostschutzfunktion ist fehlerhaft.
  • Die Steuerung läßt sich nur durch nervige Gummitasten und Minidisplay programmieren.
  • Eine PC Schnittstelle ist zwar vorhanden (und hinreichend trivial), das PC Interface (wohlgemerkt "nur" Software) kostet allerdings vergleichbar viel wie das Heizöl für eine Heizperiode, Ausprobieren nicht vorgesehen (Katze im Sack).
  • Die Steuerung verliert die Uhrzeit und heizt unlogisch.
  • Die Sommer-/Winterzeitumstellung klappt nicht.
  • Die elektrischen Mischer werden nach dem Zufahren permanent versorgt (belastet den Motor unnötig, verbraucht Strom).
  • Die Steuerung wäre in der Lage, die Heizung zu steuern, ist aber aus einem der folgenden Gründe falsch programmiert :
    • Der Installateur ist mit dem Programmieren der Steuerung überfordert und programmiert "immer warm", bzw. Werkseinstellung.
    • Die Nutzer haben keine Lust, sich mit der Programmierung der Heizung zu beschäftigen.
    • Die Programmierung ist nicht sehr gut, bzw. fehlerhaft, beschrieben.
    • Die extern zugekaufte (Standard) Steuerung ist von der Kessel-Firma nicht korrekt an den eigenen Kessel angepaßt worden.
    • ...
  • Die teuren Sonnenkollektoren schicken über fossile Brennstoffe erzeugte Wärme in den kalten Weltraum, statt Sonnenwärme zu nutzen.
  • Die Erkennung von defekten Sensoren und anderen Fehlfunktionen (fehlerhafte Pumpe, defekter Mischer, ...) wird zwar angepriesen, funktioniert in der Praxis aber nicht. Dies führt zu einer fehlerhaften Regelung, die man aber leider erst beim nächsten Verbrauchscheck bemerkt.
  • Das merkwürdige Verhalten der Heizung läßt sich mit einer Vertauschung von Vorlauf und Rücklauf während der Installation erklären.

   

Energie, Geld und Ressourcen werden vergeudet, weil die Heizungssteuerung einfach nicht begreift, wie man ein Haus oder eine Wohnung am besten warm bekommt.

Nicht meckern, sondern besser machen ? Meine Selbstbauschwelle ist vor einiger Zeit überschritten worden. Meine ursprüngliche Steuerung/Regelung steht nur noch als Reserve bereit, die man mit einem Knopfdruck wieder in Dienst stellen könnte, so denn meine Lösung schlechter ist, oder ich plötzlich keine Lust mehr habe, mich mit etwas so Langweiligem wie Heizungssteuerungen zu beschäftigen. Dabei gibt es noch eine Begriffsverwirrung, ob es denn eine Steuerung oder eine Regelung ist; open loop, closed loop, warm, oder was ? Wie es heißt, ist ja eigentlich auch egal, Hauptsache es funktioniert.

Und wenn schon, denn schon : Die komplexen Anforderungen, die ein in die Wohnung integrierter Wintergarten und ein offener Kamin mit sich bringt, werden auch beherrscht. Das Regelungskonzept ist auch gegen Störgrößen wie offene Türen und Fenster und wild an den Bedienelementen hantierende Hausbewohner einigermaßen resistent. Die Regelung kann also deutlich mehr, als die Zweipunktregelungen für wenige Euro aus dem Baumarkt oder dem Elektronik Laden.

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Meine Anforderungen an eine Heizungssteuerung :

Priortät 1 :

• Transparenz : Ich möchte wissen, in welchem Stadium sich die Steuerung gerade befindet.
• Diagnostik : Alle wichtigen Funktionen müßen permanent überprüft werden und bei Fehlfunktionen muß ein Alarm generiert werden.
• Energiesparen : spart auch Geld.
• Schöne Raumstation : Eine Raumstation muß designmäßig die nötige Akzeptanz bei der Hausfrau erlangen <=> hohe WAF Werte (WAF=woman acceptance factor). Ein iPod Touch oder ein iPhone gibt auch eine sehr schöne (portable) Raumstation ab. Oder "irgendein" Pocket-PC. Oder ein digitaler Bilderrahmen.
  Technische Anforderungen :
  • (Muß) WAF >= 7
  • (Muß) Temperatur messen (falls iPod, Pocket-PC oder DigiRahmen -> extra Temperatur-Messstelle),
  • (Muß) Temperaturdifferenzwunsch einstellbar, z.B. +/- 6 Grad,
  • (Muß) Einstellschalter für Sonne (=Dauerheizen), Mond (=Absenkbetrieb), Automatik (=programmgesteuert),
  • Warmwasseranzeige (Symbol an=Wasser warm, Symbol blinkend=Warmwassererbereitung) und -Anforderung (Knopf),
  • Temperaturanzeige (Zimmertemperatur, Außentemperatur),
  • Zustandsanzeige (Sonne, Mond, Feuerung ein, Zimmer wird hochgeheizt, Warmwasserbereitung, Liegestuhl = Sommerabschaltung),
  • Anzeige von Datum und Uhrzeit (deutet auf eine funktionierende Steuerung hin),
  • Experteninfos bei Bedarf (Temperaturen von Kessel, Brauchwasser, Vorläufen, Rückläufen, Pumpenzustände, etc.),
  • Ein Luftfeuchtemesser (kostet wenige Euro, bringt ergonomische Zusatzinfos).
• Handsteuerung : Wenn die Steuerung "spinnt", oder etwas nicht kann, muß man sie einfach per Schalter abkoppeln können. Jeder Heizkreis muß ohne viel Aufwand per Hand gefahren werden können. Am einfachsten über Ein-Aus Schalter für die Pumpen und Unterbrechung der elektrischen Mischersteuerung.
• Schornsteinfegertaste : Diese beneidenswerte Berufsgruppe (immer volle Auftragsbücher, ohne Konkurrenz) soll mit einem Tastendruck seinen Job erledigen können.
• Warmwasservorrang : Duschwillige haben Priorität vor warmem Wohnzimmer.
• Warmwasseranforderung : In Zeiten, in denen kein Warmwasser programmiert ist, soll per Knopfdruck in Höchstgeschwindigkeit Wasser bereitstehen (Abklemmen der übrigen Verbraucher). Evtl. redundantes Durchlauferhitzersystem parallelschalten ?
• Heizkreise und Regelstrategien : rein witterungsgeführt, rein wohnraumabhängig, gemischt.
• Verschiedene Kreise : direkte Kesselkreise, Mischerkreise, Warmwasserbereitung.
• Vorlauftemperatur : Minimal und Maximalbegrenzung : Fußbodenheizungen müßen eine Temperaturbegrenzung nach oben haben, bei Konvektionsheizungen ist es sinnvoll, eine Vorlauf-Minimaltemperatur vorzugeben.
• Messstellen : So viele wie möglich und sinnvoll.
• Software : Quelloffen.
• Pumpen und Mischervorsorge : In Zeiten, in denen nicht geheizt wird, wird einmal pro Tag die Pumpe für ca. eine Minute betätigt und alle Mischer werden nacheinander auf- und zugefahren. Dies beugt einem Zusetzen/Festsetzen vor.
• Individuelle Temperaturprofile für alle Heizkreise.
• Gemischtbetrieb : Fußboden und Radiatorenkreise müssen parallel betrieben werden können.
• Brenneroptimierung : wählbare Minimalbrennzeiten sorgen für die sichere Austrocknung des Brennraums und die Verhinderung von Schornsteinversottung.
• Kesselschutz : Minimaltemperaturen schützen vor Taupunktkorrosion. Es wird erst angefangen zu heizen (Mischer auf, bzw. Pumpe des Direktkreises an), wenn die Minimaltemperatur erreicht ist. Die Maximalbegrenzung verhindert Energieverschwendung und Betätigung der (externen) Kesselschutzfunktion.
• Brennermindestlaufzeiten : sollten zu besserer Energienutzung führen.
• Sonnenschein im Wintergarten : heizt sehr gut und soll als Energielieferant erkannt und eingebunden werden.
• Kaminfeuer sehen nicht nur nett aus, sondern wärmen auch. Die Wärme muß in die Bilanz eingehen.
• Die Wärmekapazität und Trägheit der Fußbodenheizung soll in der ersten Ausbaustufe ausgenutzt werden können. In der zweiten Ausbaustufe wird sie automatisch bestimmt.
• Legionellen Schutzprogramm für Brauchwasser (ca. 70 - 80 Grad einmal pro Woche).
• Brauchwasser Zirkulationspumpe nur zu den üblichen Zapfzeitenn ansteuern.
• Alarmkontakt : Sobald die Heizungssteuerung nicht mehr richtig "tickt", wird ein Alarmkontakt betätigt. An diesen Alarmkontakt kann man z.B. eine Klingel oder einen SMS Versand koppeln. Betätigt wird der Alarmkontakt durch die üblichen Überwachungsmechanismen : erkannte Brennerstörung, zeitliche und logische Programmlaufüberwachung, Diagnoseroutinen, und was alles sonst schief gehen kann. Vermeidet den Mecker wichtiger Familienmitglieder, die ohne Alarmkontakt eventuell erst unter der kalten Dusche merken, was los ist.
• Eine Echtzeituhr (RTC, Real Time Clock) mit Batterie- oder Gold-Cap Pufferung sorgt für richtiges Anlaufen nach einem Stromausfall.
• Steckverbindungen : Standard-Steckprogramm von Wieland für Brenner ( http://www.wieland-electric.de/ )

Priorität 2 :

• Intuitive Benutzung.
• Hierarchischer Betrieb : Über elektrisch betätigte Zonenventile können Regelabschnitte abgetrennt werden. Innerhalb dieser Regelabschnitte können einzelne Räume getrennt geregelt werden. Entweder über eine getrennte Regelung (z.B. "intelligente" Raumsteuerungen), oder integriert in die Heizungssteuerung.
• Protokolle : Alle Aktivitäten der Steuerung soll in Ringspeichern möglichst lange gespeichert werden, ebenso alle Parameter (Temperaturen, Mischerstellungen, Kessellaufzeiten, Warmwasseranforderungen, ...).
• Partytaste : schnell warm, ohne viel Programmieren. Evtl. mehrere Tasten notwendig: Party im Keller, im Kinderzimmer, oder im Wohnzimmer (oder überall).
• Heizoptimierungen : Am einfachsten zu veranschaulichen mit der Fragestellung: Soll es bei Zeitpunkt t schon x Grad warm sein (komplexe Aufgabenstellung), oder soll ab Zeitpunkt t geheizt werden(viel einfacher). Mögliche Optimierungen sind von vielen Parametern abhängig: Wärmekapazität des Hauses/Zimmers, Größe des Brenners, Anzahl der zu beheizenden Räume, Temperaturprofile, mittlere Außentemperatur, Zeitpunkt (Morgens/Abends), zu überbrückende Temperaturdifferenz. Es gibt auch sehr viele Störgrößen; einige davon : Lüftung der Räume, zu geringe Kesselleistung, Anzahl anwesender Personen.
• Display : alle Parameter direkt am Heizkessel abrufbar.
• Frostschutz : aktiv, wenn wählbare Außentemperatur, z.B. 4 Grad, unterschritten. Optional, verlangt andere Algorithmen für temperaturüberwachte Räumen und Radiatorenkreise.
• Pumpenoptimierung:
  • Eine Pumpe darf nicht laufen, wenn nicht geheizt wird.
  • Wählbar soll die Möglichkeit "Frostschutz - Pumpenlauf" vorgesehen werden: Bei Temperaturen unter Null (bzw. vier) Grad soll - wählbar - die Pumpe laufen, um auch den Radiatoren die Frostschutz Funktionalität zu ermöglichen. Bei individuell temperaturüberwachten Räumen macht diese Funktion keinen Sinn: Wenn im Wohnzimmer 18 Grad ist, braucht auch bei Außentemperaturen unter Null Grad keine Pumpe Frostschutz fahren.
  • Bei mehrstufigen Pumpen die Drehzahl an die Erfordernisse anpassen.
• Betriebsstunden/Betätigungszähler: für alle Aggregate : Brenner, Pumpe, Mischer.

Priorität 3 :

• Lüftungsbehandlung : wird erkannt, daß gerade gelüftet wird (z.B. durch abrupten Temperaturabfall), sollte nicht die Umgebung geheizt werden. Gute Reaktionen beim Lüften sind ein kurzzeitiges Aussetzen der Heizung (feste Zeit), oder Weiterheizen bei Erkennung des Lüftungsendes.
• Einfaches Interface : optimalerweise mit jedem Terminalprogramm zu erledigen.
• Browserinterface : Alle Parameter leicht zugänglich und zu ändern.
• Zugang per Internet. Irgendwie ist die Möglichkeit neckisch, von jedem Internetanschluß unserer schönen Erde aus mal schauen zu können, wie es der Heizung geht.
• E-Mail bei Problemen : aus naheliegenden Gründen. Ich jedenfalls schaue häufiger in mein Email Kästchen als in den Heizungskeller.
• Standard Hardware : Einfach zu reparieren, preiswert zu ersetzen, einfach aufzurüsten.
• Rückfallebene für preiswerte Standardsteuerung.
• Verbrauchskontrolle : Vergleich von Vor- und Rücklauftemperatur, um benötigte Wärmemenge abzuschätzen.
• Mehrstufige Brenner unterstützen.
• Modellbildungen und Simulation : Modelle für verschiedene Regelalgorithmen entwickeln. Parameter dabei: Größe, Wärmekapazität, Fußbodenheizung, Radiatorenheizung, Totzeiten der Elemente, entnommene Wärmemenge, .... Es sollte recht einfach sein, ein Modell zu entwickeln. Selbst lüftende Hausfrauen sollten modellmäßig erfaßt werden können.
• Wärmemengenerfassung : Abschätzung, welcher Heizkreis wieviel Heizleistung benötigt hat.
• Urlaubsschaltung : Kein Warmwasser und nur Frostschutz während nn Tagen Urlaub. Count-Down Zähler bis zur Aufnahme des Automatik - Modus. Bis diese Funktion drin ist, sollte "Nachtabsenkung" und "Brauchwasser aus" dieselbe Funktion erfüllen.
• Eine DCF Uhr (Atomuhrempfänger) sorgt dafür, daß die Steuerung weiß, was die Stunde geschlagen hat.
• Eine Watchdog Schaltung, die dem Mikrocontroller einen Reset spendiert, wenn er selbst aussteigen sollte.
• Anhand von Druckmessungen und Temperaturmessungen (Vorlauf/Rücklauf) soll entschieden werden, ob Pumpen laufen müßen.
• Einbeziehung von Bewegungssensoren zum automatischen Aktivieren von Heizkreisen.
• Der Kalender sollte Y2K9, bzw. schaltjahrfest sein.
• Lernende Algorithmen (z.B. werktags duschen um 07.00 Uhr, Samstags baden um 12.00, ...)

Thermostat / Heizkörper Ventilsteuerung
Meine Heizkörper - Ventilsteuerungs Wünsche :

• Manuell übersteuerbar (mit traditionellem Drehknopf)
  
• Übertragung der aktuellen Temperaturen (Vorlauf, Rücklauf, Führungswert)
  
• Bidirektionales Funk- oder Powerline Interface

Ich habe bislang keine Ventilsteuerungen gefunden, die diesen Anforderungen entsprechen. Deswegen benutze ich weiterhin die "traditionellen" Heizkörperthermostate und schalte die Pumpen für die entsprechenden Heizkreise.

Ich erwarte allerdings, daß sich auf diesem Gebiet etwas tut. Grund zu dieser Annahme habe ich, weil es zur Zeit schon diese Produkte gibt :

• Funkheizungssystem zur Temperaturregelung in Einzelräumen FHS SET1 : Funk - Heizungssteuerung Set inkl. 1 Regler, ca. 50 Euro
• HONEYWELL HR20E : Rondostat - Zeitgesteuerter Heizkörperregler, ca. 30 Euro
• HONEYWELL CM57E : Thermostat - Funkgesteuerter Heizkörperregelung, ca. 250 Euro

Normen, Standards, Busse und Mehr
Niemand wird wohl das Rad neu erfinden wollen und deswegen gerne auf Bewährtes zurückgreifen wollen. Wer recherchiert, wird auch das eine oder andere finden, z.B. die deutsche Norm DIN 4701 "Regeln für die Berechnung des Wärmebedarfs von Gebäuden", ersetzt seit dem 1. Oktober 2004 durch die europaweit gültige Norm EN 12 831. Diese Norm soll helfen, den Wärmebedarf eines Gebäudes zu ermitteln.
Zur technischen Beschreibung einer Heizung sind Begriffe wie Aufheizfaktor, Nachtabsenkung, Heizlast (Menschen, Heizung, Stromnutzung). Auslegungstemperatur, K-Wert geschaffen worden.
Es ist schwierig, neutrale Fachleute zu finden, die nicht nur schöne neue Anlagen verkaufen wollen, sondern mithilfe dieser Begriffe die reale Situation beschreiben, um dann die optimale Lösung aufzuzeigen.

Es werden vielfältige Bemühungen unternommen, die Heizungskomponenten durch ein Bussystem transparenter und die Komponenten verschiedener Hersteller austauschbar zu machen. Der eBUS (mittlerweile eingestellt) und das OpenTherm Projekt sind zwei Initiativen in diesem Zusammenhang.

Auf den Seiten des Bundes der Energieverbraucher ist sehr viel nützliches Material zu finden.

Bei Heizungssteuerungen geht es natürlich auch darum, den Einsatz von Energie zu optimieren. Auch dafür findet man bei Google Unterstützung :

http://www.google.org/powermeter/

Die Ansätze, aus diesen Anforderungen eine schöne Steuerung/Regelung aufzubauen werden zur Zeit weiterentwickelt, ein erster Prototyp ist seit Juni 2007 in Betrieb.

Mitstreiter und Mitbauer gesucht ! Es gibt eine kleine Gruppe, die sich damit beschäftigen, fertig gekaufte Steuerungen zu verstehen und optimal zu parametrieren und eigene Steuerungen zu entwerfen, zu bauen, zu installieren und zu optimieren.

Was gibt es denn schon fertig ?

Bausteine für eine Raumstation (fertige Lösungen mit Gehäuse habe ich nicht gefunden) :

JControl, http://www.jcontrol.org/, ist eine extrem kompakte JAVA™-Lösung für eingebettete Systeme
Auf JControl aufbauend : Java™ Control-Unit JCU 10 – Messen, Steuern und Regeln mit Java™, http://shop.elv.de/output/controller.aspx?cid=74&detail=10&detail2=9182
LCD KIT120-5 : Grafisches TouchPanel-Display mit LED, http://www.reichelt.de/?ARTICLE=44922;LINKID=1024

Fertige Systeme, Informationen, Verschiedenes :

Erprobtes Interface Link45 zwischen PC und 1-Wire Geräten : Fuchs-Elektronik
Viessmann, Steuerung und Überwachung aus dem Internet, http://www.viessmann.de/
Honeywell Centra, http://www.hga.honeywell.de/
Drahtlose Funktechnik ohne Batterien : http://www.enocean.com/
Heizungssteuerung mit Edimax BR6104k
Diverse Elektonikprojekte : http://s-huehn.de/elektronik/
Heizungssteuerung mit Linux, Heizen mit Holz, Hausbau & Co. : http://www.bastelitis.de/
Sieger, http://www.sieger.net/
Wita, Wilhelm Taake, http://www.wita-taake.de/
Junkers, http://www.junkers.com/de/de/ek/produkte/regelung/index.html
Das Heizungskaufhaus für Selberbauer, http://www.heizen-lueften.de/pageID_626992.html
Siemens ( ehemals Landis & Gyr, Landis & Stefa, ...), suchen z.B. nach "RVL 800", http://www.de.landisstaefa.com/
Eberle Raumthermostate, http://www.eberle.de/
Fußbodenheizungssystem Cronatherm, http://www.cronatherm.de/
F ußbodenheizungen und Rohrsysteme Aquatherm, http://www.aquatherm.de
Guter Überblick über verschiedene Marken bei Zentralheizung.de, http://www.zentralheizung.de
Alternative Heizungsregelung (Kessel richtig aufheizen, dann in Ruhe abkühlen lassen), http://www.bajorath.de/
Bund der Energieverbraucher : http://www.energienetz.de/
Temperatursensoren : Dallas (jetzt Maxim) DS 18S20 : http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/2815 Auch andere Sensoren mit 1-Wire Technik sind interessant !
Schöne Software für 1-Wire Sensoren (Linux und Windows) : Digitemp
Alle Datenblätter : http://www.alldatasheet.com
Linux kanns auch : http://www.htw-dresden.de/~beck/FGSOFT/Heizungssteuerung_mit_Linux.html
Eine Open-Source Steuerung : WIRN : http://computer-kontor.de/wirn.html
Regelung und Optimierung von Heizungsanlagen : http://www.kieback-peter.de
Technische Alternative elektronische Regelungsgeräte : http://www.ta.co.at/
Heizungsregelung bei Mikrocontroller.com ( mit AVR CTRL ): http://mikrocontroller.cco-ev.de/de/heizung.php
SONNE HEIZT Energietechnik GmbH : http://www.sonne-heizt.de/
Haus- und Gebäudesteuerung mit C-Control II : http://www.cc2-haussteuerung.de/
DZ : Das Open-source Do-it-yourself (DIY) Zoning Project beschreibt die Tempertur-Zonen Steuerung : http://diy-zoning.sourceforge.net/ und demnächst auf http://www.homeclimatecontrol.com/.
Elektronikladen : Starterkits für Mikrocontroller, DSPs und FPGAs/CPLDs, Controller Module, Programmiergeräte und Softwaretools : http://elmicro.com/
DigiENERGY : Heizungsregelung – Visualisierung – Überwachung – Datenspeicherung : http://www.digienergy.de/

Und wenn es daran geht, Platinen selbst zu entwickeln :

OrCAD PCB Design : http://www.cadence.com/products/orcad/
CadSoft EAGLE Layout Editor : http://www.cadsoft.de/
Target PCB Design Software : http://www.ibfriedrich.com/
PCB-POOL - Leiterplatten zum Discountpreis : http://www.pcbpool.com/

Embedded Systeme :

Axiomtek, http://axiomtek.de/

Sonstiges, Hydraulischer Abgleich :

Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbuettel, Projekt Optimus u.a. : http://www.delta-q.de/
Hydraulischer Abgleich, FH Biberach : http://www.fh-biberach.de/sections/forschung/ige
Hydraulischer Abgleich : http://www.bosy-online.de/hydraulischer_Abgleich.htm
Richtig Heizen : http://www.heizungsbetrieb.de/

Mal schauen, vielleicht portiere ich diese Seite zu Google ... http://sites.google.com/site/heizungssteuerunghs1/

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Bechen, 25. August 2011